圆周运动加速度综合演示仪的制作方法
圆周运动加速度综合演示仪的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及圆周运动教学演示设备领域，尤其涉及一种圆周运动加速度综合演示仪。
【背景技术】
[0002 ]圆周运动中法向加速度和切向加速度受转向、转速、旋转半径等诸多参量影响。切向加速度中有正负加速度之分，它与转动方向、角速度的增加及减少有关系。法向加速度和切向加速度都与旋转半径成正比。法向加速度和角速度有关，切向加速度和角加速度有关。现有用以演示圆周运动加速度的演示装置一般为绕一点做圆周运动的球，通过观察球的圆周运动轨迹，来理解学习圆周运动的物体的圆周运动加速度。但是，该类方法无法将法向加速度和切向加速度分开演示。
[0003]由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种圆周运动加速度综合演示仪，以实现圆周运动中法向加速度和切向加速度的分别演示。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种圆周运动加速度综合演示仪，能够生动而直观地将法向加速度和切向加速度完全分开演示，使得学生能够更好地理解圆周运动的加速度。
[0005]本发明的目的是这样实现的，一种圆周运动加速度综合演示仪，所述圆周运动加速度综合演示仪包括一旋转驱动装置，所述旋转驱动装置上方设置有一能旋转的圆盘，所述圆盘上设置有沿周向设置的用来演示切向加速度的圆弧演示管，所述圆盘上还设置有沿径向设置的用来演示法向加速度的径向演示管，所述圆弧演示管中设置有多个圆弧管运动小球，所述径向演示管中设置有多个径向管运动小球。
[0006]在本发明的一较佳实施方式中，所述圆弧演示管至少包括设置在第一半径处的第一圆弧演示管，所述第一圆弧演示管中设置的多个所述圆弧管运动小球构成第一小球组；所述第一圆弧演示管包括沿周向设置的曲率半径为所述第一半径的水平的第一弧形管，所述第一弧形管的两端分别圆弧过渡地连接有竖直设置的开口向上的第一立管和第二立管，所述第一立管、所述第一弧形管和所述第二立管的内腔形成供所述第一小球组运动的第一运动空间。
[0007]在本发明的一较佳实施方式中，所述圆弧演示管还包括设置在第二半径处的第二圆弧演示管，所述第二圆弧演示管中设置的多个所述圆弧管运动小球构成第二小球组，所述第二圆弧演示管包括沿周向设置的曲率半径为所述第二半径的水平的第二弧形管，所述第二弧形管的两端分别圆弧过渡地连接有竖直设置的开口向上的第三立管和第四立管，所述第三立管、所述第二弧形管和所述第四立管的内腔形成供所述第二小球组运动的第二运动空间。
[0008]在本发明的一较佳实施方式中，所述径向演示管至少包括沿径向设置的第一径向演示管，所述第一径向演示管中设置的多个径向管运动小球构成第三小球组，所述第一径向演示管包括一端封闭的沿径向水平设置的第一直管，所述第一直管位于第三半径处的径向外端圆弧过渡地连接有竖直设置的开口向上的第五立管，所述第一直管和所述第五立管的内腔形成供所述第三小球组运动的第三运动空间。
[0009]在本发明的一较佳实施方式中，所述径向演示管还包括第二径向演示管，所述第二径向演示管中设置的多个径向管运动小球构成第四小球组，所述第二径向演示管包括一端封闭的沿径向水平设置的第二直管，所述第二直管位于第四半径处的径向外端圆弧过渡地连接有竖直设置的开口向上的第六立管，所述第二直管和所述第六立管的内腔形成供所述第四小球组运动的第四运动空间。
[0010]在本发明的一较佳实施方式中，所述旋转驱动装置包括一控制箱，所述控制箱内固定设置有电机，所述电机的传动轴穿过所述控制箱的顶板连接于所述圆盘的底部中心。
[0011]在本发明的一较佳实施方式中，所述圆盘的底部中心处设置有一固定块，所述固定块与所述传动轴连接，所述顶板的一侧能转动地连接有一制动杆的一端，所述制动杆的另一端能够水平转动、且能与所述固定块接触。
[0012]在本发明的一较佳实施方式中，所述控制箱上设置有控制所述电机转速的调速器。
[0013]由上所述，本发明的圆周运动加速度综合演示仪，在圆盘上沿周向设置圆弧演示管和沿径向设置径向演示管，通过圆弧演示管和径向演示管中的小球的运动状态来体现圆周运动的切向加速度和法向加速度；同时通过在圆盘不同半径处设置的演示管来演示随旋转半径、角速度、角加速度、旋转方向、启动和制动过程对切向加速度和法向加速度的影响，使得学习者能够很好地理解切向加速度和法向加速度的产生原因及区别点，以及相关参数对二者的影响，在教学中起到立竿见影的效果。
【附图说明】
[0014]以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中:
[0015]图1:为本发明的圆周运动加速度综合演示仪的结构示意俯视图。
[0016]图2:为本发明的圆周运动加速度综合演示仪的结构示意主视图。
[0017]图3:为本发明的圆周运动加速度综合演示仪使用状态示意图。
[0018]图中:1、旋转驱动装置；11、控制箱；111、顶板；12、电机；121、传动轴；13、制动杆；14、调速器;2、圆盘;21、固定块;3、圆弧演示管;31、第一圆弧演示管;311、第一弧形管;312、第一立管；313、第二立管;32、第二圆弧演示管；321、第二弧形管；322、第三立管；323、第四立管;4、径向演示管;41、第一径向演示管;411、第一直管;412、第五立管;42、第二径向演示管;421、第二直管;422、第六立管;51、第一小球组;52、第二小球组;53、第三小球组;54、第四小球组;100、圆周运动加速度综合演示仪。
【具体实施方式】
[0019]为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照【附图说明】本发明的【具体实施方式】。
[0020]如图1、图2所示，本发明的圆周运动加速度综合演示仪100，包括底部设置的旋转驱动装置1，旋转驱动装置1上方设置有一能旋转的圆盘2，圆盘2上设置有沿周向设置的用来演示切向加速度的圆弧演示管3，圆盘2上还设置有沿径向设置的用来演示法向加速度的径向演示管4，圆弧演示管3中设置有多个圆弧管运动小球，径向演示管4中设置有多个径向管运动小球。在本实施方式中，圆弧演示管3、径向演示管4通过管夹(现有技术，不再赘述)固定于圆盘2上。
[0021 ]进一步，如图1、图2所示，圆弧演示管3至少包括设置在第一半径R1处的第一圆弧演示管31，第一圆弧演示管31中设置的多个圆弧管运动小球构成第一小球组51;第一圆弧演示管31包括沿周向设置的水平的第一弧形管311，第一弧形管311的曲率半径为R1，第一弧形管311的两端分别圆弧过渡地连接有竖直设置的开口向上的第一立管312和第二立管313，第一圆弧演示管31、第一立管312和第二立管313均由透明材质制成，如图2所示第一圆弧演示管31侧视呈U型管状，第一立管312、第一弧形管311和第二立管313的内腔形成供第一小球组51运动的第一运动空间。在本实施方式中，第一立管312、第二立管313沿图示中的顺时针方向依次设置。为了更加鲜明地演示第一小球组51的运动，在本实施方式中，第一小球组51靠近第一立管312—侧的一半为绿色(在一具体实施例中，为绿色玻璃小球)，第一小球组51靠近第二立管313—侧的一半为红色(在一具体实施例中，为红色玻璃小球)。第一圆弧演示管31用来演示在旋转的圆盘2上第一半径R1处的切向加速度，第一小球组51的运动方向体现出第一半径R1处的切向加速度的正负(根据圆周运动的特性，切向加速度与角加速度有关，切向加速度的正负体现了角加速度的正负)，圆盘2顺时针转动时，当第一半径R1处的切向加速度为正时，第一小球组51向第一立管312中运动，绿色的圆弧管运动小球运动 上升到第一立管312中，当第一半径R1处的切向加速度为负时，第一小球组51向第二立管313中运动，红色的圆弧管运动小球运动上升到第二立管313中；圆盘2逆时针转动时，当第一半径R1处的切向加速度为正时，第一小球组51向第二立管313中运动，红色的圆弧管运动小球运动上升到第二立管313中，当第一半径R1处的切向加速度为负时，第一小球组51向第一立管312中运动，绿色的圆弧管运动小球运动上升到第一立管312中；第一小球组51在第一立管312或第二立管313中上升的高度体现了第一半径R1处的切向加速度的大小。
[0022]进一步，如图1、图2所示，圆弧演示管3还包括设置在第二半径R2处的第二圆弧演示管32，第二圆弧演示管32中设置的多个圆弧管运动小球构成第二小球组52，第二圆弧演示管32包括沿周向设置的水平的第二弧形管321，第二弧形管321的曲率半径为R2，第二弧形管321的两端分别圆弧过渡地连接有竖直设置的开口向上的第三立管322和第四立管323，第二圆弧演示管32、第三立管322和第四立管323均由透明材质制成，如图2所示第二圆弧演示管32侧视呈U型管状，第三立管322、第二弧形管321和第四立管323的内腔形成供第二小球组52运动的第二运动空间。在本实施方式中，第三立管322、第四立管323沿图示中的顺时针方向依次设置。为了更加鲜明地演示第二小球组52的运动，在本实施方式中，第二小球组52靠近第三立管322—侧的一半为绿色(在一具体实施例中，为绿色玻璃小球)，第二小球组52靠近第四立管323—侧的一半为红色(在一具体实施例中，为红色玻璃小球)。第二圆弧演示管32用来演示在旋转的圆盘2上第二半径R2处的切向加速度，第二小球组52的运动方向体现出第二半径R2处的切向加速度的正负(根据圆周运动的特性，切向加速度与角加速度有关，切向加速度的正负体现了角加速度的正负)，圆盘2顺时针转动时，当第二半径R2处的切向加速度为正时，第二小球组52向第三立管322中运动，绿色的圆弧管运动小球运动上升到第三立管322中，当第二半径R2处的切向加速度为负时，第二小球组52向第四立管323中运动，红色的圆弧管运动小球运动上升到第四立管323中；圆盘2逆时针转动时，当第二半径R2处的切向加速度为正时，第二小球组52向第四立管323中运动，红色的圆弧管运动小球运动上升到第四立管323中，当第二半径R2处的切向加速度为负时，第二小球组52向第三立管322中运动，绿色的圆弧管运动小球运动上升到第三立管322中；第二小球组52在第三立管322或第四立管323中上升的高度体现了第二半径R2处的切向加速度的大小。
[0023]需要说明的是，根据圆周运动的特性，切向加速度的大小与旋转半径成正比，圆盘2转动时，第一小球组51和第二小球组52的运动方向是一致的，但是，由于所处位置的半径不同，圆弧管运动小球在相应的立管中上升的高度是不同的。本实施方式中，R1大于R2，圆盘2加速或者减速过程中，同一运动时刻第一圆弧演不管31中第一小球组51在立管(第一立管312或第二立管313)中上升的高度大于第二圆弧演示管32中第二小球组52在立管(第三立管322或第四立管323)中上升的高度；圆盘2匀速运动或者静止时，第一小球组51、第二小球组52均处于水平的弧形管中。
[0024]进一步，如图1、图2所示，径向演示管4至少包括沿径向设置的第一径向演示管41，第一径向演示管41中设置的多个径向管运动小球构成第三小球组53，为了便于观察，第三小球组53选用蓝色小球(在一具体实施例中，为蓝色玻璃小球)；第一径向演示管41包括一端封闭的沿径向水平设置的第一直管411，第一直管411位于第三半径R3处的径向外端圆弧过渡地连接有竖直设置的开口向上的第五立管412，第一直管411和第五立管412均由透明材质制成，如图2所示第一径向演示管41侧视呈L型管状，第一直管411和第五立管412的内腔形成供第三小球组53运动的第三运动空间。第一径向演示管41用来演示圆盘2上第三半径R3处的法向加速度，第三小球组53的运动方向体现了第三半径R3处的法向加速度的增减(根据圆周运动的特性，法向加速度与角速度有关，法向加速度的增减体现了角速度的增减)，法向加速度与圆盘2的旋转方向无关，法向加速度在圆盘2从静止到转动的过程中随角速度的增加而逐渐增加，第三小球组53自第一直管411封闭的一端径向向外运动并上升到第五立管412中；法向加速度在圆盘2从减速到静止过程中随角速度的减小而逐渐减小，第三小球组53自第五立管412中返回至封闭的一端。第三小球组53在第五立管412中上升的高度体现了第三半径R3处的法向加速度的大小。
[0025]进一步，如图1、图2所示，径向演示管4还包括第二径向演示管42，第二径向演示管42中设置的多个径向管运动小球构成第四小球组54，为了便于观察，第四小球组54选用黑色小球(在一具体实施例中，为黑色玻璃小球)；第二径向演示管42包括一端封闭的沿径向水平设置的第二直管421，第二直管421位于第四半径R4处的径向外端圆弧过渡地连接有竖直设置的开口向上的第六立管422，第二直管421和第六立管422均由透明材质制成，如图2所示第二径向演示管42侧视呈L型管状，第二直管421和第六立管422的内腔形成供第四小球组54运动的第四运动空间。第二径向演示管42用来演示圆盘2上第四半径R4的法向加速度，第四小球组54的运动方向体现了第四半径R4处的法向加速度的增减(根据圆周运动的特性，法向加速度与角速度有关，法向加速度的增减体现了角速度的增减)，法向加速度与圆盘2的旋转方向无关，法向加速度在圆盘2从静止到转动的过程中随角速度的增加而逐渐增加，第四小球组54自第二直管421封闭的一端径向向外运动并上升到第六立管422中；法向加速度在圆盘2从减速到静止过程中随角速度的减小而逐渐减小，第四小球组54自第六立管422中返回至封闭的一端。第四小球组54在第六立管422中上升的高度体现了第四半径R4处的法向加速度的大小。
[0026]需要说明的是，根据圆周运动的特性，法向加速度的大小与旋转半径成正比，圆盘2转动时，第三小球组53和第四小球组54的运动方向是一致的，但是，由于所处位置的半径不同，圆弧管运动小球在相应的立管中上升的高度是不同的。本实施方式中，R3大于R4，同一运动时刻第三小球组53在第五立管412中上升的高度大于第四小球组54在第六立管422中上升的高度；圆盘2静止时，第三小球组53、第四小球组54均处于水平的直管中。
[0027]为了更好地观察圆盘2圆周运动过程中各小球组的运动状态，在本实施方式中，第一半径R1、第二半径R2、第三半径R3、第四半径R4互不相等，如图3所示，在本实施方式中，圆弧演示管3、径向演示管4分置于圆盘2的径向两侧，因为人眼的视觉暂留性，在圆盘2旋转时，可以在圆盘2的任一侧都能同时看到四个小球组的运动情况，其中两个小球组实际上是旋转过程中产生的光象(在图3中，圆盘2左侧客观上只有两个径向演示管，由于视觉暂留，能同时看到两个圆弧演示管的立管中小球组状态，圆盘2右侧客观上只有两个圆弧演示管的立管，由于视觉暂留，能同时看到两个径向演示管中小球组状态)。
[0028]进一步，如图2所示，旋转驱动装置1包括一控制箱11，控制箱11内固定设置有电机12，电机12的传动轴121穿过控制箱11的顶板111连接于圆盘2的底部中心。在本实施方式中，圆盘2的底部中心处设置有一固定块21，固定块21与传动轴121连接，顶板111的一侧能转动地连接有一制动杆13的一端，制动杆13的另一端能够水平转动、且能与固定块21接触。当电机12的电源切断后，推动制动杆13的另一端与固定块21接触，能够使圆盘2转度急剧下降。为了便于调整圆盘2的转动速度，控制箱11上设置有控制电机12 转速的调速器14。
[0029]如图3所示，使用本发明的圆周运动加速度综合演示仪100进行演示时，启动电机12带动圆盘顺时针转动时，圆盘2从静止开始转动，此时角速度从零开始增加，此时角加速度为正即切向加速度为正，位于第一半径R1处的第一圆弧演示管31中第一小球组51向第一立管312中运动，绿色的圆弧管运动小球运动上升到第一立管312中，位于第二半径R2处的第二圆弧演示管32中第二小球组52向第三立管322中运动，绿色的圆弧管运动小球运动上升到第三立管322中，第一立管312中小球高度大于第三立管322中小球的高度。同时，由于圆盘2自静止开始转动，角速度从零开始增加，用于演示第三半径R3处法向加速度的第一径向演示管41中的第三小球组53自第一直管411封闭的一端径向向外运动并上升到第五立管412中，用于演示第四半径R4处法向加速度的第二径向演示管42中的第四小球组54自第二直管421封闭的一端径向向外运动并上升到第六立管422中，第五立管412中小球高度大于第六立管422中小球的高度。
[0030]当圆盘2转动达到一定转速，角速度增加放缓，即正向角加速度减小，第一立管312中第一小球组51、第三立管322中第二小球组52逐渐下降，第五立管412中第三小球组53、第六立管422中第四小球组54高度继续上升，当圆盘2保持在某一转速匀速转动时，角速度不再变化，角加速度为零，第一小球组51返回至第一弧形管311，第二小球组52返回至第二弧形管321，第五立管412中第三小球组53、第六立管422中第四小球组54高度不再变化。以上现象能够充分说明切向加速度与角加速度有关、与角速度无关，而法向加速度与角速度有关、与角加速度无关，切向加速度和法向加速度不同步变化。
[0031]当圆盘2转动达到一定转速后切断电机12电源，并转动制动杆13使其接触固定块21，使得圆盘2的角速度急剧减少，此时角加速度为负即切向加速度为负，位于第一半径R1处的第一圆弧演示管31中第一小球组51向第二立管313中运动，红色的圆弧管运动小球运动上升到第二立管313中，位于第二半径R2处的第二圆弧演示管32中第二小球组52向第四立管323中运动，红色的圆弧管运动小球运动上升到第四立管323中，第二立管313中小球高度大于第四立管323中小球的高度。同时，由于圆盘2角速度减小，用于演示第三半径R3处法向加速度的第一径向演示管41中的第三小球组53自第五立管412逐渐返回至第一直管411中，用于演示第四半径R4处法向加速度的第二径向演示管42中的第四小球组54自第六立管422逐渐返回至第二直管421中，在返回过程中，第五立管412中小球高度始终大于第六立管422中小球的高度。
[0032]当圆盘2减速过程放缓(转动制动杆13使其不再与固定块21接触，使圆盘2的减速的速度放缓)，即负向角加速度减小，第二立管313中第一小球组51、第四立管323中第二小球组52逐渐下降，当圆盘2减速至静止时，第一小球组51返回至第一弧形管311，第二小球组52返回至第二弧形管321，第三小球组53返回第一直管411，第四小球组54返回第二直管421。
[0033]由上所述，本发明的圆周运动加速度综合演示仪，在圆盘上沿周向设置圆弧演示管和沿径向设置径向演示管，通过圆弧演示管和径向演示管中的小球的运动状态来体现圆周运动的切向加速度和法向加速度；同时通过在圆盘不同半径处设置的演示管来演示随旋转半径、角速度、角加速度、旋转方向、启动和制动过程对切向加速度和法向加速度的影响，使得学习者能够很好地理解切向加速度和法向加速度的产生原因及区别点，以及相关参数对二者的影响，在教学中起到立竿见影的效果。
[0034]以上所述仅为本发明示意性的【具体实施方式】，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
【主权项】
1.一种圆周运动加速度综合演示仪，其特征在于:所述圆周运动加速度综合演示仪包括一旋转驱动装置，所述旋转驱动装置上方设置有一能旋转的圆盘，所述圆盘上设置有沿周向设置的用来演示切向加速度的圆弧演示管，所述圆盘上还设置有沿径向设置的用来演示法向加速度的径向演示管，所述圆弧演示管中设置有多个圆弧管运动小球，所述径向演示管中设置有多个径向管运动小球。2.如权利要求1所述的圆周运动加速度综合演示仪，其特征在于:所述圆弧演示管至少包括设置在第一半径处的第一圆弧演示管，所述第一圆弧演示管中设置的多个所述圆弧管运动小球构成第一小球组;所述第一圆弧演示管包括沿周向设置的曲率半径为所述第一半径的水平的第一弧形管，所述第一弧形管的两端分别圆弧过渡地连接有竖直设置的开口向上的第一立管和第二立管，所述第一立管、所述第一弧形管和所述第二立管的内腔形成供所述第一小球组运动的第一运动空间。3.如权利要求2所述的圆周运动加速度综合演示仪，其特征在于:所述圆弧演示管还包括设置在第二半径处的第二圆弧演示管，所述第二圆弧演示管中设置的多个所述圆弧管运动小球构成第二小球组，所述第二圆弧演示管包括沿周向设置的曲率半径为所述第二半径的水平的第二弧形管，所述第二弧形管的两端分别圆弧过渡地连接有竖直设置的开口向上的第三立管和第四立管，所述第三立管、所述第二弧形管和所述第四立管的内腔形成供所述第二小球组运动的第二运动空间。4.如权利要求1所述的圆周运动加速度综合演示仪，其特征在于:所述径向演示管至少包括沿径向设置的第一径向演示管，所述第一径向演示管中设置的多个径向管运动小球构成第三小球组，所述第一径向演示管包括一端封闭的沿径向水平设置的第一直管，所述第一直管位于第三半径处的径向外端圆弧过渡地连接有竖直设置的开口向上的第五立管，所述第一直管和所述第五立管的内腔形成供所述第三小球组运动的第三运动空间。5.如权利要求4所述的圆周运动加速度综合演示仪，其特征在于:所述径向演示管还包括第二径向演示管，所述第二径向演示管中设置的多个径向管运动小球构成第四小球组，所述第二径向演示管包括一端封闭的沿径向水平设置的第二直管，所述第二直管位于第四半径处的径向外端圆弧过渡地连接有竖直设置的开口向上的第六立管，所述第二直管和所述第六立管的内腔形成供所述第四小球组运动的第四运动空间。6.如权利要求1所述的圆周运动加速度综合演示仪，其特征在于:所述旋转驱动装置包括一控制箱，所述控制箱内固定设置有电机，所述电机的传动轴穿过所述控制箱的顶板连接于所述圆盘的底部中心。7.如权利要求6所述的圆周运动加速度综合演示仪，其特征在于:所述圆盘的底部中心处设置有一固定块，所述固定块与所述传动轴连接，所述顶板的一侧能转动地连接有一制动杆的一端，所述制动杆的另一端能够水平转动、且能与所述固定块接触。8.如权利要求7所述的圆周运动加速度综合演示仪，其特征在于:所述控制箱上设置有控制所述电机转速的调速器。
【专利摘要】本发明为一种圆周运动加速度综合演示仪，包括一旋转驱动装置，旋转驱动装置上方设置有一能旋转的圆盘，圆盘上设置有沿周向设置的用来演示切向加速度的圆弧演示管，圆盘上还设置有沿径向设置的用来演示法向加速度的径向演示管，圆弧演示管中设置有多个圆弧管运动小球，径向演示管中设置有多个径向管运动小球。该圆周运动加速度综合演示仪，能够生动而直观地将法向加速度和切向加速度完全分开演示，使得学生能够更好地理解圆周运动的加速度。
【IPC分类】G09B23/10
【公开号】CN105489092
【申请号】CN201610045840
【发明人】林春丹, 刘洪辰, 张万松, 周广刚, 杨振清
【申请人】中国石油大学(北京)
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年1月22日
【技术领域】
[0001]本发明涉及圆周运动教学演示设备领域，尤其涉及一种圆周运动加速度综合演示仪。
【背景技术】
[0002 ]圆周运动中法向加速度和切向加速度受转向、转速、旋转半径等诸多参量影响。切向加速度中有正负加速度之分，它与转动方向、角速度的增加及减少有关系。法向加速度和切向加速度都与旋转半径成正比。法向加速度和角速度有关，切向加速度和角加速度有关。现有用以演示圆周运动加速度的演示装置一般为绕一点做圆周运动的球，通过观察球的圆周运动轨迹，来理解学习圆周运动的物体的圆周运动加速度。但是，该类方法无法将法向加速度和切向加速度分开演示。
[0003]由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种圆周运动加速度综合演示仪，以实现圆周运动中法向加速度和切向加速度的分别演示。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种圆周运动加速度综合演示仪，能够生动而直观地将法向加速度和切向加速度完全分开演示，使得学生能够更好地理解圆周运动的加速度。
[0005]本发明的目的是这样实现的，一种圆周运动加速度综合演示仪，所述圆周运动加速度综合演示仪包括一旋转驱动装置，所述旋转驱动装置上方设置有一能旋转的圆盘，所述圆盘上设置有沿周向设置的用来演示切向加速度的圆弧演示管，所述圆盘上还设置有沿径向设置的用来演示法向加速度的径向演示管，所述圆弧演示管中设置有多个圆弧管运动小球，所述径向演示管中设置有多个径向管运动小球。
[0006]在本发明的一较佳实施方式中，所述圆弧演示管至少包括设置在第一半径处的第一圆弧演示管，所述第一圆弧演示管中设置的多个所述圆弧管运动小球构成第一小球组；所述第一圆弧演示管包括沿周向设置的曲率半径为所述第一半径的水平的第一弧形管，所述第一弧形管的两端分别圆弧过渡地连接有竖直设置的开口向上的第一立管和第二立管，所述第一立管、所述第一弧形管和所述第二立管的内腔形成供所述第一小球组运动的第一运动空间。
[0007]在本发明的一较佳实施方式中，所述圆弧演示管还包括设置在第二半径处的第二圆弧演示管，所述第二圆弧演示管中设置的多个所述圆弧管运动小球构成第二小球组，所述第二圆弧演示管包括沿周向设置的曲率半径为所述第二半径的水平的第二弧形管，所述第二弧形管的两端分别圆弧过渡地连接有竖直设置的开口向上的第三立管和第四立管，所述第三立管、所述第二弧形管和所述第四立管的内腔形成供所述第二小球组运动的第二运动空间。
[0008]在本发明的一较佳实施方式中，所述径向演示管至少包括沿径向设置的第一径向演示管，所述第一径向演示管中设置的多个径向管运动小球构成第三小球组，所述第一径向演示管包括一端封闭的沿径向水平设置的第一直管，所述第一直管位于第三半径处的径向外端圆弧过渡地连接有竖直设置的开口向上的第五立管，所述第一直管和所述第五立管的内腔形成供所述第三小球组运动的第三运动空间。
[0009]在本发明的一较佳实施方式中，所述径向演示管还包括第二径向演示管，所述第二径向演示管中设置的多个径向管运动小球构成第四小球组，所述第二径向演示管包括一端封闭的沿径向水平设置的第二直管，所述第二直管位于第四半径处的径向外端圆弧过渡地连接有竖直设置的开口向上的第六立管，所述第二直管和所述第六立管的内腔形成供所述第四小球组运动的第四运动空间。
[0010]在本发明的一较佳实施方式中，所述旋转驱动装置包括一控制箱，所述控制箱内固定设置有电机，所述电机的传动轴穿过所述控制箱的顶板连接于所述圆盘的底部中心。
[0011]在本发明的一较佳实施方式中，所述圆盘的底部中心处设置有一固定块，所述固定块与所述传动轴连接，所述顶板的一侧能转动地连接有一制动杆的一端，所述制动杆的另一端能够水平转动、且能与所述固定块接触。
[0012]在本发明的一较佳实施方式中，所述控制箱上设置有控制所述电机转速的调速器。
[0013]由上所述，本发明的圆周运动加速度综合演示仪，在圆盘上沿周向设置圆弧演示管和沿径向设置径向演示管，通过圆弧演示管和径向演示管中的小球的运动状态来体现圆周运动的切向加速度和法向加速度；同时通过在圆盘不同半径处设置的演示管来演示随旋转半径、角速度、角加速度、旋转方向、启动和制动过程对切向加速度和法向加速度的影响，使得学习者能够很好地理解切向加速度和法向加速度的产生原因及区别点，以及相关参数对二者的影响，在教学中起到立竿见影的效果。
【附图说明】
[0014]以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中:
[0015]图1:为本发明的圆周运动加速度综合演示仪的结构示意俯视图。
[0016]图2:为本发明的圆周运动加速度综合演示仪的结构示意主视图。
[0017]图3:为本发明的圆周运动加速度综合演示仪使用状态示意图。
[0018]图中:1、旋转驱动装置；11、控制箱；111、顶板；12、电机；121、传动轴；13、制动杆；14、调速器;2、圆盘;21、固定块;3、圆弧演示管;31、第一圆弧演示管;311、第一弧形管;312、第一立管；313、第二立管;32、第二圆弧演示管；321、第二弧形管；322、第三立管；323、第四立管;4、径向演示管;41、第一径向演示管;411、第一直管;412、第五立管;42、第二径向演示管;421、第二直管;422、第六立管;51、第一小球组;52、第二小球组;53、第三小球组;54、第四小球组;100、圆周运动加速度综合演示仪。
【具体实施方式】
[0019]为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照【附图说明】本发明的【具体实施方式】。
[0020]如图1、图2所示，本发明的圆周运动加速度综合演示仪100，包括底部设置的旋转驱动装置1，旋转驱动装置1上方设置有一能旋转的圆盘2，圆盘2上设置有沿周向设置的用来演示切向加速度的圆弧演示管3，圆盘2上还设置有沿径向设置的用来演示法向加速度的径向演示管4，圆弧演示管3中设置有多个圆弧管运动小球，径向演示管4中设置有多个径向管运动小球。在本实施方式中，圆弧演示管3、径向演示管4通过管夹(现有技术，不再赘述)固定于圆盘2上。
[0021 ]进一步，如图1、图2所示，圆弧演示管3至少包括设置在第一半径R1处的第一圆弧演示管31，第一圆弧演示管31中设置的多个圆弧管运动小球构成第一小球组51;第一圆弧演示管31包括沿周向设置的水平的第一弧形管311，第一弧形管311的曲率半径为R1，第一弧形管311的两端分别圆弧过渡地连接有竖直设置的开口向上的第一立管312和第二立管313，第一圆弧演示管31、第一立管312和第二立管313均由透明材质制成，如图2所示第一圆弧演示管31侧视呈U型管状，第一立管312、第一弧形管311和第二立管313的内腔形成供第一小球组51运动的第一运动空间。在本实施方式中，第一立管312、第二立管313沿图示中的顺时针方向依次设置。为了更加鲜明地演示第一小球组51的运动，在本实施方式中，第一小球组51靠近第一立管312—侧的一半为绿色(在一具体实施例中，为绿色玻璃小球)，第一小球组51靠近第二立管313—侧的一半为红色(在一具体实施例中，为红色玻璃小球)。第一圆弧演示管31用来演示在旋转的圆盘2上第一半径R1处的切向加速度，第一小球组51的运动方向体现出第一半径R1处的切向加速度的正负(根据圆周运动的特性，切向加速度与角加速度有关，切向加速度的正负体现了角加速度的正负)，圆盘2顺时针转动时，当第一半径R1处的切向加速度为正时，第一小球组51向第一立管312中运动，绿色的圆弧管运动小球运动 上升到第一立管312中，当第一半径R1处的切向加速度为负时，第一小球组51向第二立管313中运动，红色的圆弧管运动小球运动上升到第二立管313中；圆盘2逆时针转动时，当第一半径R1处的切向加速度为正时，第一小球组51向第二立管313中运动，红色的圆弧管运动小球运动上升到第二立管313中，当第一半径R1处的切向加速度为负时，第一小球组51向第一立管312中运动，绿色的圆弧管运动小球运动上升到第一立管312中；第一小球组51在第一立管312或第二立管313中上升的高度体现了第一半径R1处的切向加速度的大小。
[0022]进一步，如图1、图2所示，圆弧演示管3还包括设置在第二半径R2处的第二圆弧演示管32，第二圆弧演示管32中设置的多个圆弧管运动小球构成第二小球组52，第二圆弧演示管32包括沿周向设置的水平的第二弧形管321，第二弧形管321的曲率半径为R2，第二弧形管321的两端分别圆弧过渡地连接有竖直设置的开口向上的第三立管322和第四立管323，第二圆弧演示管32、第三立管322和第四立管323均由透明材质制成，如图2所示第二圆弧演示管32侧视呈U型管状，第三立管322、第二弧形管321和第四立管323的内腔形成供第二小球组52运动的第二运动空间。在本实施方式中，第三立管322、第四立管323沿图示中的顺时针方向依次设置。为了更加鲜明地演示第二小球组52的运动，在本实施方式中，第二小球组52靠近第三立管322—侧的一半为绿色(在一具体实施例中，为绿色玻璃小球)，第二小球组52靠近第四立管323—侧的一半为红色(在一具体实施例中，为红色玻璃小球)。第二圆弧演示管32用来演示在旋转的圆盘2上第二半径R2处的切向加速度，第二小球组52的运动方向体现出第二半径R2处的切向加速度的正负(根据圆周运动的特性，切向加速度与角加速度有关，切向加速度的正负体现了角加速度的正负)，圆盘2顺时针转动时，当第二半径R2处的切向加速度为正时，第二小球组52向第三立管322中运动，绿色的圆弧管运动小球运动上升到第三立管322中，当第二半径R2处的切向加速度为负时，第二小球组52向第四立管323中运动，红色的圆弧管运动小球运动上升到第四立管323中；圆盘2逆时针转动时，当第二半径R2处的切向加速度为正时，第二小球组52向第四立管323中运动，红色的圆弧管运动小球运动上升到第四立管323中，当第二半径R2处的切向加速度为负时，第二小球组52向第三立管322中运动，绿色的圆弧管运动小球运动上升到第三立管322中；第二小球组52在第三立管322或第四立管323中上升的高度体现了第二半径R2处的切向加速度的大小。
[0023]需要说明的是，根据圆周运动的特性，切向加速度的大小与旋转半径成正比，圆盘2转动时，第一小球组51和第二小球组52的运动方向是一致的，但是，由于所处位置的半径不同，圆弧管运动小球在相应的立管中上升的高度是不同的。本实施方式中，R1大于R2，圆盘2加速或者减速过程中，同一运动时刻第一圆弧演不管31中第一小球组51在立管(第一立管312或第二立管313)中上升的高度大于第二圆弧演示管32中第二小球组52在立管(第三立管322或第四立管323)中上升的高度；圆盘2匀速运动或者静止时，第一小球组51、第二小球组52均处于水平的弧形管中。
[0024]进一步，如图1、图2所示，径向演示管4至少包括沿径向设置的第一径向演示管41，第一径向演示管41中设置的多个径向管运动小球构成第三小球组53，为了便于观察，第三小球组53选用蓝色小球(在一具体实施例中，为蓝色玻璃小球)；第一径向演示管41包括一端封闭的沿径向水平设置的第一直管411，第一直管411位于第三半径R3处的径向外端圆弧过渡地连接有竖直设置的开口向上的第五立管412，第一直管411和第五立管412均由透明材质制成，如图2所示第一径向演示管41侧视呈L型管状，第一直管411和第五立管412的内腔形成供第三小球组53运动的第三运动空间。第一径向演示管41用来演示圆盘2上第三半径R3处的法向加速度，第三小球组53的运动方向体现了第三半径R3处的法向加速度的增减(根据圆周运动的特性，法向加速度与角速度有关，法向加速度的增减体现了角速度的增减)，法向加速度与圆盘2的旋转方向无关，法向加速度在圆盘2从静止到转动的过程中随角速度的增加而逐渐增加，第三小球组53自第一直管411封闭的一端径向向外运动并上升到第五立管412中；法向加速度在圆盘2从减速到静止过程中随角速度的减小而逐渐减小，第三小球组53自第五立管412中返回至封闭的一端。第三小球组53在第五立管412中上升的高度体现了第三半径R3处的法向加速度的大小。
[0025]进一步，如图1、图2所示，径向演示管4还包括第二径向演示管42，第二径向演示管42中设置的多个径向管运动小球构成第四小球组54，为了便于观察，第四小球组54选用黑色小球(在一具体实施例中，为黑色玻璃小球)；第二径向演示管42包括一端封闭的沿径向水平设置的第二直管421，第二直管421位于第四半径R4处的径向外端圆弧过渡地连接有竖直设置的开口向上的第六立管422，第二直管421和第六立管422均由透明材质制成，如图2所示第二径向演示管42侧视呈L型管状，第二直管421和第六立管422的内腔形成供第四小球组54运动的第四运动空间。第二径向演示管42用来演示圆盘2上第四半径R4的法向加速度，第四小球组54的运动方向体现了第四半径R4处的法向加速度的增减(根据圆周运动的特性，法向加速度与角速度有关，法向加速度的增减体现了角速度的增减)，法向加速度与圆盘2的旋转方向无关，法向加速度在圆盘2从静止到转动的过程中随角速度的增加而逐渐增加，第四小球组54自第二直管421封闭的一端径向向外运动并上升到第六立管422中；法向加速度在圆盘2从减速到静止过程中随角速度的减小而逐渐减小，第四小球组54自第六立管422中返回至封闭的一端。第四小球组54在第六立管422中上升的高度体现了第四半径R4处的法向加速度的大小。
[0026]需要说明的是，根据圆周运动的特性，法向加速度的大小与旋转半径成正比，圆盘2转动时，第三小球组53和第四小球组54的运动方向是一致的，但是，由于所处位置的半径不同，圆弧管运动小球在相应的立管中上升的高度是不同的。本实施方式中，R3大于R4，同一运动时刻第三小球组53在第五立管412中上升的高度大于第四小球组54在第六立管422中上升的高度；圆盘2静止时，第三小球组53、第四小球组54均处于水平的直管中。
[0027]为了更好地观察圆盘2圆周运动过程中各小球组的运动状态，在本实施方式中，第一半径R1、第二半径R2、第三半径R3、第四半径R4互不相等，如图3所示，在本实施方式中，圆弧演示管3、径向演示管4分置于圆盘2的径向两侧，因为人眼的视觉暂留性，在圆盘2旋转时，可以在圆盘2的任一侧都能同时看到四个小球组的运动情况，其中两个小球组实际上是旋转过程中产生的光象(在图3中，圆盘2左侧客观上只有两个径向演示管，由于视觉暂留，能同时看到两个圆弧演示管的立管中小球组状态，圆盘2右侧客观上只有两个圆弧演示管的立管，由于视觉暂留，能同时看到两个径向演示管中小球组状态)。
[0028]进一步，如图2所示，旋转驱动装置1包括一控制箱11，控制箱11内固定设置有电机12，电机12的传动轴121穿过控制箱11的顶板111连接于圆盘2的底部中心。在本实施方式中，圆盘2的底部中心处设置有一固定块21，固定块21与传动轴121连接，顶板111的一侧能转动地连接有一制动杆13的一端，制动杆13的另一端能够水平转动、且能与固定块21接触。当电机12的电源切断后，推动制动杆13的另一端与固定块21接触，能够使圆盘2转度急剧下降。为了便于调整圆盘2的转动速度，控制箱11上设置有控制电机12 转速的调速器14。
[0029]如图3所示，使用本发明的圆周运动加速度综合演示仪100进行演示时，启动电机12带动圆盘顺时针转动时，圆盘2从静止开始转动，此时角速度从零开始增加，此时角加速度为正即切向加速度为正，位于第一半径R1处的第一圆弧演示管31中第一小球组51向第一立管312中运动，绿色的圆弧管运动小球运动上升到第一立管312中，位于第二半径R2处的第二圆弧演示管32中第二小球组52向第三立管322中运动，绿色的圆弧管运动小球运动上升到第三立管322中，第一立管312中小球高度大于第三立管322中小球的高度。同时，由于圆盘2自静止开始转动，角速度从零开始增加，用于演示第三半径R3处法向加速度的第一径向演示管41中的第三小球组53自第一直管411封闭的一端径向向外运动并上升到第五立管412中，用于演示第四半径R4处法向加速度的第二径向演示管42中的第四小球组54自第二直管421封闭的一端径向向外运动并上升到第六立管422中，第五立管412中小球高度大于第六立管422中小球的高度。
[0030]当圆盘2转动达到一定转速，角速度增加放缓，即正向角加速度减小，第一立管312中第一小球组51、第三立管322中第二小球组52逐渐下降，第五立管412中第三小球组53、第六立管422中第四小球组54高度继续上升，当圆盘2保持在某一转速匀速转动时，角速度不再变化，角加速度为零，第一小球组51返回至第一弧形管311，第二小球组52返回至第二弧形管321，第五立管412中第三小球组53、第六立管422中第四小球组54高度不再变化。以上现象能够充分说明切向加速度与角加速度有关、与角速度无关，而法向加速度与角速度有关、与角加速度无关，切向加速度和法向加速度不同步变化。
[0031]当圆盘2转动达到一定转速后切断电机12电源，并转动制动杆13使其接触固定块21，使得圆盘2的角速度急剧减少，此时角加速度为负即切向加速度为负，位于第一半径R1处的第一圆弧演示管31中第一小球组51向第二立管313中运动，红色的圆弧管运动小球运动上升到第二立管313中，位于第二半径R2处的第二圆弧演示管32中第二小球组52向第四立管323中运动，红色的圆弧管运动小球运动上升到第四立管323中，第二立管313中小球高度大于第四立管323中小球的高度。同时，由于圆盘2角速度减小，用于演示第三半径R3处法向加速度的第一径向演示管41中的第三小球组53自第五立管412逐渐返回至第一直管411中，用于演示第四半径R4处法向加速度的第二径向演示管42中的第四小球组54自第六立管422逐渐返回至第二直管421中，在返回过程中，第五立管412中小球高度始终大于第六立管422中小球的高度。
[0032]当圆盘2减速过程放缓(转动制动杆13使其不再与固定块21接触，使圆盘2的减速的速度放缓)，即负向角加速度减小，第二立管313中第一小球组51、第四立管323中第二小球组52逐渐下降，当圆盘2减速至静止时，第一小球组51返回至第一弧形管311，第二小球组52返回至第二弧形管321，第三小球组53返回第一直管411，第四小球组54返回第二直管421。
[0033]由上所述，本发明的圆周运动加速度综合演示仪，在圆盘上沿周向设置圆弧演示管和沿径向设置径向演示管，通过圆弧演示管和径向演示管中的小球的运动状态来体现圆周运动的切向加速度和法向加速度；同时通过在圆盘不同半径处设置的演示管来演示随旋转半径、角速度、角加速度、旋转方向、启动和制动过程对切向加速度和法向加速度的影响，使得学习者能够很好地理解切向加速度和法向加速度的产生原因及区别点，以及相关参数对二者的影响，在教学中起到立竿见影的效果。
[0034]以上所述仅为本发明示意性的【具体实施方式】，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
【主权项】
1.一种圆周运动加速度综合演示仪，其特征在于:所述圆周运动加速度综合演示仪包括一旋转驱动装置，所述旋转驱动装置上方设置有一能旋转的圆盘，所述圆盘上设置有沿周向设置的用来演示切向加速度的圆弧演示管，所述圆盘上还设置有沿径向设置的用来演示法向加速度的径向演示管，所述圆弧演示管中设置有多个圆弧管运动小球，所述径向演示管中设置有多个径向管运动小球。2.如权利要求1所述的圆周运动加速度综合演示仪，其特征在于:所述圆弧演示管至少包括设置在第一半径处的第一圆弧演示管，所述第一圆弧演示管中设置的多个所述圆弧管运动小球构成第一小球组;所述第一圆弧演示管包括沿周向设置的曲率半径为所述第一半径的水平的第一弧形管，所述第一弧形管的两端分别圆弧过渡地连接有竖直设置的开口向上的第一立管和第二立管，所述第一立管、所述第一弧形管和所述第二立管的内腔形成供所述第一小球组运动的第一运动空间。3.如权利要求2所述的圆周运动加速度综合演示仪，其特征在于:所述圆弧演示管还包括设置在第二半径处的第二圆弧演示管，所述第二圆弧演示管中设置的多个所述圆弧管运动小球构成第二小球组，所述第二圆弧演示管包括沿周向设置的曲率半径为所述第二半径的水平的第二弧形管，所述第二弧形管的两端分别圆弧过渡地连接有竖直设置的开口向上的第三立管和第四立管，所述第三立管、所述第二弧形管和所述第四立管的内腔形成供所述第二小球组运动的第二运动空间。4.如权利要求1所述的圆周运动加速度综合演示仪，其特征在于:所述径向演示管至少包括沿径向设置的第一径向演示管，所述第一径向演示管中设置的多个径向管运动小球构成第三小球组，所述第一径向演示管包括一端封闭的沿径向水平设置的第一直管，所述第一直管位于第三半径处的径向外端圆弧过渡地连接有竖直设置的开口向上的第五立管，所述第一直管和所述第五立管的内腔形成供所述第三小球组运动的第三运动空间。5.如权利要求4所述的圆周运动加速度综合演示仪，其特征在于:所述径向演示管还包括第二径向演示管，所述第二径向演示管中设置的多个径向管运动小球构成第四小球组，所述第二径向演示管包括一端封闭的沿径向水平设置的第二直管，所述第二直管位于第四半径处的径向外端圆弧过渡地连接有竖直设置的开口向上的第六立管，所述第二直管和所述第六立管的内腔形成供所述第四小球组运动的第四运动空间。6.如权利要求1所述的圆周运动加速度综合演示仪，其特征在于:所述旋转驱动装置包括一控制箱，所述控制箱内固定设置有电机，所述电机的传动轴穿过所述控制箱的顶板连接于所述圆盘的底部中心。7.如权利要求6所述的圆周运动加速度综合演示仪，其特征在于:所述圆盘的底部中心处设置有一固定块，所述固定块与所述传动轴连接，所述顶板的一侧能转动地连接有一制动杆的一端，所述制动杆的另一端能够水平转动、且能与所述固定块接触。8.如权利要求7所述的圆周运动加速度综合演示仪，其特征在于:所述控制箱上设置有控制所述电机转速的调速器。
【专利摘要】本发明为一种圆周运动加速度综合演示仪，包括一旋转驱动装置，旋转驱动装置上方设置有一能旋转的圆盘，圆盘上设置有沿周向设置的用来演示切向加速度的圆弧演示管，圆盘上还设置有沿径向设置的用来演示法向加速度的径向演示管，圆弧演示管中设置有多个圆弧管运动小球，径向演示管中设置有多个径向管运动小球。该圆周运动加速度综合演示仪，能够生动而直观地将法向加速度和切向加速度完全分开演示，使得学生能够更好地理解圆周运动的加速度。
【IPC分类】G09B23/10
【公开号】CN105489092
【申请号】CN201610045840
【发明人】林春丹, 刘洪辰, 张万松, 周广刚, 杨振清
【申请人】中国石油大学(北京)
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年1月22日
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